CFD仿真技術(shù)在航空、汽車、電子行業(yè)應(yīng)用廣泛，隨著垃圾焚燒過程機理研究的發(fā)展，該技術(shù)在垃圾焚燒爐設(shè)計方面開始顯現(xiàn)出巨大的實用價值。傳統(tǒng)焚燒爐數(shù)值模擬采用單組分模型，與實際測試結(jié)果相差較大，上海環(huán)境院聯(lián)合上海交通大學(xué)、同濟大學(xué)等高校開發(fā)的多組分（竹木、紙、橡塑、濕垃圾等）精細化數(shù)值模型，經(jīng)過實爐測試，焚燒爐各處溫度及組分計算值與實測值偏差低于3%。采用該模型，形成了針對垃圾分類后高熱值垃圾穩(wěn)定燃燒的系列化、標(biāo)準化焚燒爐擴容技術(shù)，經(jīng)示范工程驗證，垃圾處理量和蒸發(fā)量提升10%以上，效果顯著。
一、垃圾焚燒爐設(shè)計開發(fā)為什么需要數(shù)值仿真技術(shù)？
CFD仿真技術(shù)主要通過數(shù)值離散算法，求解N-S流動、輻射傳熱、物質(zhì)擴散等方程，實現(xiàn)流場、溫度場、組分場的分析，其實質(zhì)為真實物理過程再現(xiàn)。該算法在航空、汽車、電子行業(yè)應(yīng)用廣泛，隨著垃圾焚燒過程機理研究的發(fā)展，CFD仿真技術(shù)開始在垃圾焚燒領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，可采用數(shù)值仿真對垃圾焚燒爐、煙氣處理中的半干式反應(yīng)塔、干法反應(yīng)器、布袋除塵器、濕式洗滌塔等關(guān)鍵設(shè)備的內(nèi)部流場及化學(xué)反應(yīng)情況進行分析計算。
尤其在垃圾焚燒爐的結(jié)構(gòu)和配風(fēng)方面，傳統(tǒng)上垃圾焚燒爐采用容積熱負荷、爐排燃燒速率、一煙道平均流速等指標(biāo)進行爐膛容積、爐排面積計算，爐排各段配風(fēng)和具體爐型則依據(jù)以往的項目經(jīng)驗進行修改優(yōu)化；而數(shù)值仿真技術(shù)，則在一定程度上可實現(xiàn)焚燒工況的數(shù)值再現(xiàn)，展現(xiàn)某種設(shè)計或運行工況下的煙氣流場、溫度場、組分場，實現(xiàn)爐型及配風(fēng)的精細化設(shè)計。下文就傳統(tǒng)研發(fā)路徑及基于數(shù)值仿真的研發(fā)路徑進行對比分析：
在傳統(tǒng)焚燒爐設(shè)計過程中，主要采用機理實驗-中試設(shè)備-工程驗證-設(shè)計修改的研究路徑。主要有三方面劣勢：
1、中試設(shè)備投資大且與工程實際存在較大區(qū)別；
2、工程驗證后，如技術(shù)方案存在問題，焚燒爐改造費用高；
3、整個研發(fā)路徑耗時久，一項技術(shù)從研發(fā)到應(yīng)用一般超過3年。
（二）以CFD數(shù)值仿真技術(shù)為核心的研發(fā)路徑
采用機理實驗-CFD數(shù)值仿真-工程驗證的方式，主要有三方面優(yōu)勢：
1、采用CFD數(shù)值仿真驗證技術(shù)方案合理性，無需中試工程設(shè)備投資；
2、CFD數(shù)值仿真可對焚燒爐內(nèi)流場、溫度場、組分場全方面校核，技術(shù)優(yōu)化后工程實施成功率高；
3、一個設(shè)計或者運行工況，通過數(shù)值仿真驗證僅需要3-7天，極大縮短了技術(shù)優(yōu)化時間。
二、開發(fā)和應(yīng)用垃圾焚燒爐多組分數(shù)值模型，可以實現(xiàn)垃圾焚燒過程精細化仿真
傳統(tǒng)垃圾焚燒爐數(shù)值模擬采用單組分模型，將垃圾各組分理化特性參數(shù)均衡為同一種，依次經(jīng)歷干燥、揮發(fā)分燃燒、固定碳燃燒過程，該模型焚燒爐干燥段僅發(fā)生干燥。但在實際焚燒過程中，竹木、紙類、塑料、濕垃圾等多組分理化特性差別大，濕垃圾在干燥段進行干燥的同時，紙類及塑料已經(jīng)在爐膛火焰輻射的作用下發(fā)生燃燒，該過程已經(jīng)被現(xiàn)場試驗及觀測所證實?？梢妭鹘y(tǒng)單組分模型與焚燒爐實際過程不符。上海環(huán)境院聯(lián)合高校，開發(fā)垃圾多組分模型，與傳統(tǒng)單一組分模型相比較，能夠精細化實現(xiàn)焚燒過程的再現(xiàn)。經(jīng)過實爐測試，前、后爐拱和爐膛中心等主要測點溫度及組分偏差低于3%。
（二）煙氣再循環(huán)和SNCR技術(shù)優(yōu)化及實證
通過數(shù)值仿真，優(yōu)化再循環(huán)噴口位置及煙氣量，經(jīng)過實爐驗證，有效提升煙氣混合湍流度及揮發(fā)分高效燃盡，控制空氣過量空氣系數(shù)1.4以內(nèi)；優(yōu)化SNCR噴口位置、藥劑濃度、噴霧流速等參數(shù)，形成一套最優(yōu)設(shè)計、運行方案，脫硝效率提升10%以上，NOX排放低于120mg/Nm3。
煙氣再循環(huán)比例優(yōu)化 SNCR藥劑濃度分布
（三）適應(yīng)高熱值垃圾新型焚燒儲備技術(shù)開發(fā)
通過數(shù)值仿真技術(shù)，針對高熱值垃圾焚燒爐火焰中心溫度過高等問題，開發(fā)垃圾焚燒爐高溫低氧燃燒技術(shù)（ZL201610326967.8），最大程度實現(xiàn)燃燒均質(zhì)化和溫度場均勻分布，有效緩解焚燒爐內(nèi)的結(jié)焦情況。同時將NOx 的初始生成濃度控制在180mg/Nm3以內(nèi)，遠低于普通焚燒爐300mg/Nm3。
高溫低氧燃燒技術(shù)仿真優(yōu)化
（圖左，氧氣濃度分布；圖右，溫度場分布）
三、多組分焚燒爐仿真模型助力于垃圾焚燒爐擴容改造，可以顯著提升焚燒效果
隨著垃圾分類的開展，垃圾熱值快速提升。2019年7月《上海市生活垃圾管理條例》實施以后，首月垃圾熱值已經(jīng)超過了3100 kcal/kg，相較于2018年平均值提升了約35%?，F(xiàn)有焚燒爐爐型主要為適應(yīng)低熱值垃圾設(shè)計，受納高熱值垃圾后，出現(xiàn)結(jié)焦加重、處理量下降等問題。
依托市科委《生活垃圾焚燒爐高效擴能與清潔焚燒智能控制技術(shù)研究及示范》，上海環(huán)境院聯(lián)合金山焚燒廠、交通大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、同濟大學(xué)等，采用多組分仿真模型作為輔助手段，完成適應(yīng)于高熱值垃圾的焚燒爐改造技術(shù)研發(fā)，同時結(jié)合余熱鍋爐、煙氣凈化、余熱利用等全系統(tǒng)技術(shù)和裝備擴容升級，形成系列化、標(biāo)準化擴容技術(shù)方案，擴容增幅可分別實現(xiàn)3-5%、5-15%、15-20%。經(jīng)項目示范工程驗證：垃圾處理量由400t/d提升至456t/d，提升比例約為14.0%、蒸發(fā)量提升比例約為19.5%。在全國垃圾分類大背景下，垃圾熱值提升為普遍趨勢，該技術(shù)的研發(fā)將有更廣闊的應(yīng)用空間，為垃圾焚燒項目提供安全穩(wěn)定運行保障，同時提升發(fā)電及減碳效益。
張瑞娜，博士，高級工程師，現(xiàn)任上海環(huán)境院研究中心副主任。
劉澤慶，碩士，工程師，現(xiàn)任上海環(huán)境院研究中心研發(fā)工程師。
來源 | 上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計院